1、生理學(xué)報(bào),Oct.2000,52(5):431434ActaPhysiologicaSinica431腦光學(xué)成像技術(shù)揭示的貓初級視皮層方位傾斜效應(yīng)3俞洪波1,2,23壽天德1,2,3,33(1中國科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院視覺研究實(shí)驗(yàn)室,合肥230027;復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院腦科學(xué)研究中心及立人實(shí)驗(yàn)室,上海200433;中國科學(xué)院生物物理研究所視覺信息加工開放實(shí)驗(yàn)室,北京100101)摘要:方位傾斜效應(yīng)(obliqueeffect)是人類普遍存在的視覺心理效應(yīng)。為了檢測其神經(jīng)基礎(chǔ),我們采用腦光學(xué)成像方法,對貓初級視覺皮層較大范圍內(nèi)的水平2垂直方位光柵刺激敏感區(qū)和傾斜方位光柵刺激敏感區(qū)的大小及其反應(yīng)強(qiáng)

2、度進(jìn)行了定量分析。結(jié)果表明:水平2垂直敏感區(qū)比傾斜角敏感區(qū)面積大,平均差異為417%;水平2垂直方位刺激引起的反應(yīng)強(qiáng)度整體上比傾斜角方位刺激大。以上結(jié)果澄清了以往一些電生理研究結(jié)果的不同,為方位傾斜這一心理效應(yīng)提供了更為可靠的生理學(xué)解釋。關(guān)鍵詞:方位;傾斜效應(yīng);光學(xué)成像;初級視皮層學(xué)科分類號:Q436Theobliqueeffectrevealedbyopticalimaginginprimaryvisualcortexofcats3YUHong2Bo1,2,SHOUTian2De1,2,3,33(1VisionResearchLaboratory,SchoolofLifeSciences,U

3、niversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027;2CenterforBrainScienceResearch,SchoolofLifeSciences,FudanUniversity,Shanghai200433;3LaboratoryofVisualInformationProcessing,InstituteofBiophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101)Abstract:Theobliqueeffectisaubiquitousvisualpsychologicaleffect.

4、Toexploreitsunderlyingneuralbasis,wequantitativelyanalyzedtheproportionandresponseamplitudeofthecardinalpreferredareasandtheobliquepreferredareasinafairlylargeregionoftheprimaryvisualcortexofcats,usingopticalimagingbasedonintrinsicsignals.Theresultsshowthatcardinalpreferredareaswerelargerthanoblique

5、preferredareas,withameandifferenceof4.7%.Overall,theresponsesevokedbycardinalstimuliweregenerallygreaterthanthosebyobliquestimuli.Thepresentworkprovidesanexplanationforthedifferencesinelectrophysiologicalresultsreportedforthisissue,andgivesanewinsightintotheneuralbasisoftheobliqueeffect.Keywords:ori

6、entation;obliqueeffect;opticalimaging;primaryvisualcortex方位傾斜效應(yīng)是人類普遍存在的視覺心理效應(yīng)1,它表現(xiàn)為對水平和垂直方位光柵的視銳度(visualacuity)強(qiáng)于傾斜方位,同時(shí)在其它一些視覺指標(biāo),如反應(yīng)時(shí)間、位置評估、方位判斷上也有類似的趨勢。在猴、貓上的某些生理學(xué)工作發(fā)現(xiàn),在初級視覺皮層中對水平及垂直方位敏感的神經(jīng)元數(shù)目多于對傾斜方位的24,同時(shí)也有實(shí)驗(yàn)顯示水平及垂直方位刺激在視皮層的誘發(fā)電位強(qiáng)于傾斜方位5,6。Received2000203206Accepted20002042173SupportedbyNationalNat

7、uralScienceFoundationofChina,Shanghai2UnileverResearchandDevelopmentFundandLabofVisualInformationProcessing,InstituteofBiophysics,ChineseAcademyofSciences.33Correspondingauthor.Tel:021265642355;Fax:021265650149;E2mail:tdshoufudan1edu1cn© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All ri

8、ghts reserved.432生理學(xué)報(bào)ActaPhysiol.Sin.52卷但也有一些研究組沒有獲得類似的結(jié)果7,8。由于以前對方位傾斜效應(yīng)的評估是基于微電極記錄的細(xì)胞數(shù)統(tǒng)計(jì),因此對于皮層整體的測定會由于統(tǒng)計(jì)數(shù)目多寡和統(tǒng)計(jì)位點(diǎn)的不同而產(chǎn)生偏差。采用基于內(nèi)源信號的腦光學(xué)成像技術(shù)(opticalimagingbasedonintrinsicsignals),可以在貓初級視皮層獲得大片清晰的方位功能圖9,10,我們由此在相當(dāng)大的視覺皮層的范圍內(nèi)對不同方位功能柱所占區(qū)域的大小、強(qiáng)度加以統(tǒng)計(jì),對貓初級視皮層的方位傾斜效應(yīng)進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)采用7只體重在213310kg的成年貓,在常規(guī)戊巴比妥鈉麻醉,三碘

9、季銨酚麻痹動(dòng)物的維持實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后(詳見參考文獻(xiàn)10),開顱暴露皮層17區(qū),暴露區(qū)面積為8×10mm,皮層投射約對應(yīng)視野中心010°之間。用牙科水泥粘合金屬小室于顱骨,剝離硬腦膜后,加蓋玻璃片封閉小室,小室內(nèi)充甲基硅油。貓眼配帶接觸鏡并做光學(xué)校正,使用人工瞳孔(直徑4mm)。采用波長為550nm的綠光照射暴露皮層,將數(shù)字式面掃描CCD攝像機(jī)(DALSA,Canada,512×512點(diǎn))鏡頭聚焦于皮層表面獲得表面血管圖后(如圖1A所示),再換用波長為640nm(半波寬15nm)的紅光,微調(diào)聚焦面于皮層(22156715°)的點(diǎn)數(shù),由此計(jì)算水,1121515

10、715°平2垂直敏感區(qū)與傾斜角敏感區(qū)各自占所統(tǒng)計(jì)視皮層總面積的百分比(如圖1D)。(2)統(tǒng)計(jì)傾斜效應(yīng)強(qiáng)度:用獲得4幅不同方位(0135°、45°間隔)的功能圖數(shù)據(jù),將0°與90°方位功能圖相加之和與45°和135°功能圖之和逐點(diǎn)相減,以其差值來衡量該點(diǎn)的傾斜效應(yīng)強(qiáng)度,正數(shù)點(diǎn)為水平垂直敏感點(diǎn),負(fù)數(shù)為傾斜角敏感點(diǎn)。為便于定量比較,將差值的絕對值從0到最大值分為14等分,等級越高強(qiáng)度差越大,隨后分別作傾斜效應(yīng)強(qiáng)度絕對值的分布圖(如圖2)。主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:1.方位敏感性分布所體現(xiàn)的傾斜效應(yīng)從所做的方位敏感圖(圖1B)中可以看到,所

11、有的最優(yōu)方位在圖中都有分布,而且過渡平緩,相同方位柱的間隔約為1mm,圖中分布有風(fēng)車狀中心(pinwheelcenter,即多個(gè)方位敏感柱的匯聚點(diǎn),由于各方位柱由此向周圍輻射狀散開,形似風(fēng)車),與已有結(jié)果相似9,11。采用第一種統(tǒng)計(jì)方法,在方位敏感性的分布圖中(圖1C),可以看到較為平滑的波動(dòng)曲線,兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)于0°和90°附近,而谷值則在45°和135°附近出現(xiàn),其中015°的點(diǎn)數(shù)(約1500)要遠(yuǎn)多于4560°的點(diǎn)數(shù)(約1000),而中心峰值雖然右移,但90°附近較45°和135°附近高的趨勢不變

12、。這種0°及90°敏感點(diǎn)數(shù)大于傾斜角敏感點(diǎn)數(shù)的情況在統(tǒng)計(jì)的所有貓中都有所體現(xiàn)(圖1D),在7只貓中,除7號貓水平2垂直敏感區(qū)與傾斜角敏感區(qū)差值較小(017%),其余6只貓的差值均在311%810%之間,7只貓平均差值為417%,差異較為明顯(ttest,P<0105)。2.方位反應(yīng)強(qiáng)度差等級分布所體現(xiàn)的傾斜效應(yīng)下500m。采用自行研制的視覺刺激系統(tǒng),顯示屏(平均亮度1511cd/m2)置于貓眼前57cm處,刺激范圍為30×40°視角。刺激采用高對比度(019),空間頻率為015c/deg,時(shí)間頻率為2Hz的移動(dòng)方波光柵,光柵方位為0、30、60、9

13、0、120、150°或0、45、90、135°。在一個(gè)記錄周期內(nèi),同一方位的光柵刺激2s,休息10s,不同方位的光柵在不同周期中隨機(jī)產(chǎn)生。采樣時(shí)間5s,自刺激前1s至刺激開始后4s止,每1s記錄一幀,共記錄5幀。后4幀圖均與無視覺刺激時(shí)獲得的第一幀圖相減,以降低慢波噪聲。相同方位的圖像進(jìn)行疊加平均(32次到128次不等),以減小隨機(jī)噪聲。由此獲得對應(yīng)于不同方位的6幅或4幅圖像進(jìn)行疊加平均以形成交混本底(cocktailblank),該6幅或4幅圖再分別與交混本底相減并濾波后作為該方位的功能圖。我們采用兩種不同的處理方法,對方位傾斜效應(yīng)進(jìn)行檢測。(1)統(tǒng)計(jì)方位敏感性的分布:對

14、于6幅不同方位(0150°,30°間隔)的功能圖數(shù)據(jù),對圖中每個(gè)像素點(diǎn)(pixel)進(jìn)行6個(gè)方位的矢量相加,并由此計(jì)算出該點(diǎn)的最優(yōu)方位角。以不同灰度表征不同的方位角,獲得大面積皮層的方位功能圖(如圖1B)。最后作所有像素點(diǎn)最優(yōu)方位角的分布圖(如圖1C)。統(tǒng)計(jì)最優(yōu)方位角處于水平垂直范圍(0)與傾斜角范圍2215°,15715180°,671511215°對7只貓里的3只,我們還用方位為0、45、90、135°的光柵分別刺激,獲得了它們各自相應(yīng)的方位功能圖。采用第二種統(tǒng)計(jì)方法,我們發(fā)現(xiàn)在這3只貓中,正數(shù)點(diǎn)總數(shù)(水平垂直敏感點(diǎn))均多于負(fù)數(shù)點(diǎn)

15、總數(shù)(傾斜角敏感點(diǎn)),圖2顯示了其中一只貓的強(qiáng)度差等級分布。可以看到無論是在強(qiáng)度差較大的高等級區(qū),還是在強(qiáng)度差較小的低等級區(qū),水平2垂直敏感點(diǎn)均多于傾斜角敏感點(diǎn),這種現(xiàn)象在高等級區(qū)尤其明顯,說明從整體來看,視覺皮層對水平垂直方位刺激的反應(yīng)強(qiáng)度也比傾斜角方位刺激的要強(qiáng)。這種分布在所研究的三只貓中無一例外。通過采用兩種不同的刺激組(30°間隔和45°間隔)和不同的統(tǒng)計(jì)處理方法,我們對貓大范圍初級視皮層方位傾斜效應(yīng)的檢測獲得了一致的結(jié)果。用第一種統(tǒng)計(jì)方法獲得的水平垂直敏感區(qū)比傾斜角敏© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc C

16、o., Ltd. All rights reserved.5期俞洪波等:腦光學(xué)成像技術(shù)揭示的貓初級視皮層方位傾斜效應(yīng)433圖1.采用矢量和方法計(jì)算各點(diǎn)方位敏感角所示的方位傾斜效應(yīng)Differentpreferredorientationsontheorientationpolarmapareshownbydifferentscalesofgrayinablack2whitemap.horizontalplusverticalpreferredareasandtheobliquepreferredareasinthecalculatedcorticalregionsofthe7cats.感區(qū)大4

17、17%的結(jié)果與他人在雪貂上以相似方法統(tǒng)計(jì)的7%的結(jié)果相近12。此外,我們的第二種統(tǒng)計(jì)方法還顯示,在反應(yīng)強(qiáng)度上,水平垂直方位刺激引起的視皮層反應(yīng)從整體上也強(qiáng)于傾斜方位角刺激,這與視皮層誘發(fā)電位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合5,6。因?yàn)槲覀兊膶?shí)驗(yàn)結(jié)果來自一個(gè)相當(dāng)大的尺度上的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(單只貓的統(tǒng)計(jì)面積可到2030mm2),從而大大減小了微電極單細(xì)胞記錄由于統(tǒng)計(jì)數(shù)相對較少和統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位置的不同而帶來的偏差。可以認(rèn)為本結(jié)果為方位傾斜這一心理效應(yīng)提供了更為可靠的生理解釋,從而澄清了以往電生理研究結(jié)果中相互矛盾之處。值得注意的是,某些電生理記錄的研究顯示,方位傾斜效應(yīng)在初級視皮層簡單細(xì)胞中最為顯著2,13,而我們光學(xué)記錄的皮

18、層深度為500m左右,對應(yīng)于皮層2、3層,在該層中復(fù)雜細(xì)胞占多數(shù),因此,我們所統(tǒng)計(jì)的水平2垂直敏感區(qū)與傾斜角敏感區(qū)的區(qū)域大小差異可能比實(shí)際的差異要小。另外,© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.434生理學(xué)報(bào)ActaPhysiol.Sin.52卷PsychBull,1972,78:266278.2PettigrewJD,NikaraT,BishopPO.Responsestomovingslitsbysingleunitsincatstriatecortex.ExpBrainR

19、es,1968,6:373390.3MansfieldRJW.Neuralbasisoforientationperceptioninprimatevision.Science,1974,186:11331135.4BlakemoreCB,GareyLJ,Vital2DurandF.Orientationpre2ferencesinthemonkeysvisualcortex.JPhysiol,1981,319:78P.5BondsAB.An“obliqueeffect”inthevisualevokedpotentialofthecat.ExpBrainRes,1982,46:151154.

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21、tionalarchitec2tureofcortexrevealedbyopticalimagingofintrinsicsignals.Nature,1986,324:361364.10ZhangK(張昆鳥),YuHB(俞洪波),ShouTD(壽天德).Theestablishmentoftheopticalimagingsystembasedonintrinsicsignals.ActaBiophysSin(生物物理學(xué)報(bào)),1999,15(3):597603(inChinesewithEnglishabstract).11MaldonadoPE,GodeckeI,GrayCMetal.O

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